JP4238034B2 - Improvement of traveling wave amplifier - Google Patents

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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/60—Amplifiers in which coupling networks have distributed constants, e.g. with waveguide resonators
    • H03F3/605—Distributed amplifiers
    • H03F3/607—Distributed amplifiers using FET's

Description

本発明は、進行波増幅器（ＴＷＡ）の改良に関し、特定的にはミリメートル波進行波増幅器に関する。   The present invention relates to improvements in traveling wave amplifiers (TWA), and in particular to millimeter wave traveling wave amplifiers.

進行波は、伝送ラインに沿って進行し、伝送ラインによって案内される電磁波である。もし進行波の増幅が必要であれば、伝送ラインとして動作する増幅器を使用することが望ましい。このような進行波増幅器（もしくは、分布増幅器）は公知である。これらは、一般に、互いに接続された２つまたはそれ以上の増幅モジュールからなっている。各増幅モジュールの入力及び出力は、いわゆる人工伝送ラインを形成している。各人工伝送ラインは、直列インダクタンス成分と、並列キャパシタンスとを含む。インダクタンス成分は、高インピーダンス伝送ラインを使用して実現することができる。キャパシタンスは、各増幅モジュールに関連付けられた寄生キャパシタンスであることができる。従って、人工伝送ラインの特性インピーダンスは、Ｚ0＝（Ｌ／Ｃ）1/2によって与えられる。即ち、周波数依存性ではなく、これがＴＷＡの望ましい特性である。更に、インダクタンス及びキャパシタンスの値を注意深く選択することによって、特性インピーダンスをほぼ50Ωに設定することができる。この値は、ＴＷＡアプリケーションにおける工業標準である。増幅モジュールは、各モジュールのインダクタンス成分を互いに接続することによって、互いに接続される。使用されるインダクタンス成分は100Ωの領域の高い特性インピーダンスを有している。 Traveling waves are electromagnetic waves that travel along the transmission line and are guided by the transmission line. If traveling wave amplification is required, it is desirable to use an amplifier operating as a transmission line. Such traveling wave amplifiers (or distributed amplifiers) are known. These generally consist of two or more amplification modules connected to each other. The input and output of each amplification module form a so-called artificial transmission line. Each artificial transmission line includes a series inductance component and a parallel capacitance. The inductance component can be realized using a high impedance transmission line. The capacitance can be a parasitic capacitance associated with each amplification module. Therefore, the characteristic impedance of the artificial transmission line is given by Z 0 = (L / C) 1/2 . That is, it is not frequency-dependent, but this is a desirable characteristic of TWA. In addition, the characteristic impedance can be set to approximately 50Ω by carefully selecting the inductance and capacitance values. This value is an industry standard in TWA applications. The amplification modules are connected to each other by connecting the inductance components of the modules to each other. The inductance component used has a high characteristic impedance in the region of 100Ω.

ＴＷＡの各増幅モジュールの遮断周波数は、その入力及び出力人工伝送ラインのインダクタンス及びキャパシタンスに関係している。遮断周波数は、インダクタンスとキャパシタンスとの積の平方根に逆比例する。遮断周波数を高くするために、インダクタンス及びキャパシタンスを小さくすることができる。インダクタンスを小さくするために、各人工伝送ラインのインダクタンス成分の長さを短縮することができる。しかしながら、これは多くの問題をもたらし得る。例えば、各増幅モジュールは有限のサイズを有している。もしインダクタンス成分の長さを短くすれば、それらはモジュールを互いに接続するのに十分なサイズではなくなる。これは、増幅モジュールを互いに接続するために使用されるインダクタンス成分の所要の長さよりも、増幅モジュール間の最小分離が長いことがあり得るようなミリメートル波アプリケーション（即ち、高周波数アプリケーション（適用））において特に然りであり得る。   The cutoff frequency of each amplification module of the TWA is related to the inductance and capacitance of its input and output artificial transmission lines. The cutoff frequency is inversely proportional to the square root of the product of inductance and capacitance. In order to increase the cutoff frequency, the inductance and capacitance can be reduced. In order to reduce the inductance, the length of the inductance component of each artificial transmission line can be shortened. However, this can lead to many problems. For example, each amplification module has a finite size. If the lengths of the inductance components are reduced, they are not large enough to connect the modules together. This is because millimeter wave applications (ie, high frequency applications) where the minimum separation between amplifier modules may be longer than the required length of the inductance components used to connect the amplifier modules together. Can be particularly true.

多くのＴＷＡに伴う別の問題は、各増幅モジュールの入力及び出力人工伝送ライン内の相速度の差が原因で発生する。各モジュールからの増幅された信号を混合することを望む場合、これらの等しくない相速度が総合出力信号にキャンセルをもたらす恐れがある。この問題は、各モジュールの出力人工伝送ライン内のインダクタンス成分の電気的長さを、入力人工伝送ライン内のインダクタンス成分の電気的長さに等しくすることによって解消することができる。しかしながら、出力人工伝送ライン内のインダクタンス成分の長さを増加させることは、所望の遮断周波数及びリターン損失に悪影響をもたらし得る。   Another problem with many TWAs arises due to the difference in phase speed in the input and output artificial transmission lines of each amplification module. If it is desired to mix the amplified signals from each module, these unequal phase velocities can cause cancellation in the total output signal. This problem can be solved by making the electrical length of the inductance component in the output artificial transmission line of each module equal to the electrical length of the inductance component in the input artificial transmission line. However, increasing the length of the inductance component in the output artificial transmission line can adversely affect the desired cutoff frequency and return loss.

本発明によれば、２つまたはそれ以上の増幅モジュールからなる進行波増幅器が提供される。隣接する増幅モジュールの入力は、第１の特性インピーダンスの第１のインダクタンス成分と、第２の特性インピーダンスの第２のインダクタンス成分と、実質的に第１の特性インピーダンスの第３のインダクタンス成分とによって互いに接続される。第１の特性インピーダンスは、第２の特性インピーダンスよりも大きい。   In accordance with the present invention, a traveling wave amplifier comprising two or more amplification modules is provided. The input of the adjacent amplification module is based on the first inductance component of the first characteristic impedance, the second inductance component of the second characteristic impedance, and the third inductance component of the first characteristic impedance substantially. Connected to each other. The first characteristic impedance is larger than the second characteristic impedance.

隣接する増幅モジュールの出力は、第１の特性インピーダンスの第１のインダクタンス成分と、第２の特性インピーダンスの第２のインダクタンス成分と、実質的に第１の特性インピーダンスの第３のインダクタンス成分とによって互いに接続することができる。第１の特性インピーダンスは、第２の特性インピーダンスよりも大きい。   The output of the adjacent amplification module is obtained by a first inductance component having a first characteristic impedance, a second inductance component having a second characteristic impedance, and a third inductance component having a substantially first characteristic impedance. Can be connected to each other. The first characteristic impedance is larger than the second characteristic impedance.

各増幅モジュールの出力には、出力インダクタンス成分を設けることができる。これによってモジュールを、第１、第２、及び第３のインダクタンス成分に接続することができる。出力インダクタンス成分の特性インピーダンスは、第１及び第３のインダクタンス成分の特性インピーダンスと実質的に等しくすることができる。   An output inductance component can be provided at the output of each amplification module. This allows the module to be connected to the first, second and third inductance components. The characteristic impedance of the output inductance component can be substantially equal to the characteristic impedance of the first and third inductance components.

隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続する第２のインダクタンス成分の特性インピーダンスは、好ましくは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しくする。好ましくは、１つまたは複数の第２のインダクタンス成分の特性インピーダンスは、実質的に50Ωである。これは進行波アプリケーションのための工業標準であり、ＴＷＡのような回路及びそれらが接続される回路は一般に、それらが実質的に50Ωの特性インピーダンスを有するように構成される。勿論、１つまたは複数の第２のインダクタンス成分の特性インピーダンスは、例えば40Ωまたは30Ωのように50Ω以外であることができる。第１及び第３のインダクタンス成分は、実質的に80Ω、または100Ω、または120Ω、またはそれより高い特性インピーダンスを有することができる。   The characteristic impedance of the second inductance component connecting either the input or output of the adjacent amplification module is preferably substantially equal to the characteristic impedance of the input and output circuits to which the TWA is connected for use. Preferably, the characteristic impedance of the one or more second inductance components is substantially 50Ω. This is an industry standard for traveling wave applications, and circuits such as TWA and the circuits to which they are connected are generally configured so that they have a characteristic impedance of substantially 50Ω. Of course, the characteristic impedance of the one or more second inductance components can be other than 50Ω, for example 40Ω or 30Ω. The first and third inductance components can have a characteristic impedance that is substantially 80Ω, or 100Ω, or 120Ω, or higher.

第２のインダクタンス成分を付加することによって、高周波数アプリケーションにおいてでも、隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかの間の接続を、モジュール間に届かせるのに十分な長さにすることができる。隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかの間の接続内に第２の、より低い特性インピーダンスのインダクタンス成分を使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。   By adding a second inductance component, even in high frequency applications, the connection between either the input or output of adjacent amplification modules can be made long enough to reach between the modules. . It has been found that the use of a second, lower characteristic impedance inductance component in the connection between either the input or output of an adjacent amplifier module does not have a significant adverse effect on the performance of the TWA.

隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続する第２のインダクタンス成分は、好ましくは伝送ラインからなる。伝送ラインは、マイクロストリップ伝送ラインであることができる。マイクロストリップ伝送ラインは、例えば金合金のような金属トラックで形成することができる。   The second inductance component that connects either the input or the output of the adjacent amplification module is preferably a transmission line. The transmission line can be a microstrip transmission line. The microstrip transmission line can be formed of a metal track such as a gold alloy.

隣接する増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続する第１及び第３のインダクタンス成分は各々、インダクタまたは伝送ラインであることができる。伝送ラインは、マイクロストリップ伝送ラインであることができる。マイクロストリップ伝送ラインは、例えば金合金のような金属トラックで形成することができる。   Each of the first and third inductance components connecting either the input or output of the adjacent amplification module can be an inductor or a transmission line. The transmission line can be a microstrip transmission line. The microstrip transmission line can be formed of a metal track such as a gold alloy.

増幅モジュールの入力を接続する各インダクタンス成分は、共通入力ラインの一部を構成することができる。共通入力ラインは、ＴＷＡの単一の入力ポートに接続することができる。従って、ＴＷＡへの信号入力の一部が各増幅モジュールへ印加され、そこで増幅される。増幅モジュールの出力を接続する各インダクタンス成分は、共通出力ラインの一部を構成することができる。共通出力ラインは、ＴＷＡの単一の出力ポートに接続することができる。従って、ＴＷＡからの出力信号を混合してＴＷＡ出力信号（共通出力ポートを通して、共通出力ラインを介する出力）を得ることができる。   Each inductance component connecting the inputs of the amplification module can constitute a part of the common input line. The common input line can be connected to a single input port of the TWA. Therefore, part of the signal input to the TWA is applied to each amplification module and amplified there. Each inductance component that connects the outputs of the amplification modules can form part of a common output line. The common output line can be connected to a single output port of the TWA. Therefore, the TWA output signal (the output through the common output line through the common output port) can be obtained by mixing the output signals from the TWA.

各増幅モジュールからの出力信号を混合してＴＷＡ出力信号を得ることを望む場合には、明らかに、モジュールからの信号が実質的に同一の位相を有していることが望ましい。さもなければ、信号を混合する時に、幾らかがキャンセルされ、従ってＴＷＡ信号の損失が発生してしまう。１対の隣接する増幅モジュールの出力を接続する第２のインダクタンス成分の長さは、１対の隣接する増幅モジュールの入力を接続する第２のインダクタンス成分の長さよりも大きくすることができる。これは、多くの型のＴＷＡに発生し得る入力ラインと出力ラインとの間の相速度の何等かの差を解消するために使用することができる。隣接する増幅モジュールの出力間の接続内により長い第２のインダクタンス成分を使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。   Obviously, if it is desired to mix the output signals from each amplification module to obtain a TWA output signal, it is desirable that the signals from the modules have substantially the same phase. Otherwise, some will be canceled when mixing the signals, thus causing loss of the TWA signal. The length of the second inductance component that connects the outputs of a pair of adjacent amplification modules can be greater than the length of the second inductance component that connects the inputs of a pair of adjacent amplification modules. This can be used to eliminate any difference in phase speed between the input and output lines that can occur in many types of TWA. It has been found that using a longer second inductance component in the connection between the outputs of adjacent amplifier modules does not have a significant adverse effect on the performance of the TWA.

ＴＷＡの共通入力ラインには、１つまたはそれ以上の抵抗のような終端素子を設けることができる。好ましくは、ライン内の最後の増幅モジュールに接する共通入力ライン内に抵抗を配置する。ＴＷＡの共通出力ラインには、１つまたはそれ以上の抵抗のような終端素子を設けることができる。好ましくは、ライン内の最初の増幅モジュールに接する共通出力ライン内に抵抗を配置する。ＴＷＡの動作周波数を高めることが望まれるので、共通入力ライン及び出力ラインを構成するインダクタンス成分の長さはより短くする。従って、終端抵抗はラインに接続されている増幅モジュールに益々近付けて配置されるが、これはそれらの間に不要な結合をもたらしかねない。ＴＷＡの共通入力ラインは、ラインに接続されている増幅モジュールから抵抗を離間させるために配置される１つまたはそれ以上のインダクタンス成分からなることができる。例えば、インダクタンス成分を、ラインに接続される最後の増幅モジュールと抵抗との間に配置することができる。ＴＷＡの共通出力ラインは、ラインに接続されている増幅モジュールから抵抗を離間させるために配置される１つまたはそれ以上のインダクタンス成分からなることができる。例えば、インダクタンス成分を、ラインに接続される最初の増幅モジュールと抵抗との間に配置することができる。従って、抵抗は増幅モジュールから遠去けられ、結合の可能性は低下する。インダクタンス成分は、好ましくは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しくする。好ましくは、各インダクタンス成分の特性インピーダンスは実質的に50Ωである。これらのインダクタンス成分を付加しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。   The common input line of the TWA can be provided with a termination element such as one or more resistors. Preferably, the resistor is placed in a common input line that contacts the last amplifier module in the line. A common output line of the TWA can be provided with a termination element such as one or more resistors. Preferably, the resistor is placed in a common output line that contacts the first amplification module in the line. Since it is desired to increase the operating frequency of the TWA, the length of the inductance component constituting the common input line and the output line is made shorter. Thus, the termination resistor is placed closer to the amplification module connected to the line, but this can lead to unwanted coupling between them. The common input line of the TWA can consist of one or more inductance components arranged to separate the resistor from the amplification module connected to the line. For example, the inductance component can be placed between the last amplifier module connected to the line and the resistor. The common output line of the TWA can consist of one or more inductance components arranged to separate the resistor from the amplification module connected to the line. For example, the inductance component can be placed between the first amplifier module connected to the line and the resistor. Thus, the resistance is moved away from the amplification module and the possibility of coupling is reduced. The inductance component is preferably substantially equal to the characteristic impedance of the input and output circuits to which the TWA is connected for use. Preferably, the characteristic impedance of each inductance component is substantially 50Ω. It has been found that the addition of these inductance components does not have a significant adverse effect on the performance of the TWA.

各増幅モジュールは、好ましくは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しくする。好ましくは、各モジュールの特性インピーダンスは実質的に50Ωである。上述したように、これは進行波アプリケーションにおける工業標準である。   Each amplification module is preferably substantially equal to the characteristic impedance of the input and output circuits to which the TWA is connected for use. Preferably, the characteristic impedance of each module is substantially 50Ω. As mentioned above, this is an industry standard in traveling wave applications.

各増幅モジュール及びその入力及び／または出力間に接続される少なくとも幾つかのインダクタンス成分は、好ましくは、ＴＷＡへの信号入力のための、及びＴＷＡからの信号出力のための伝送ラインを構成する。詳述すれば、各増幅モジュールは、その入力において２つのインダクタンス成分に接続することができる。一方のインダクタンス成分は、第１の増幅モジュールを第２の増幅モジュールに接続する第３のインダクタンス成分からなることができ、他方のインダクタンス成分は、第２の増幅モジュールを第３の増幅モジュールに接続する第１のインダクタンス成分からなることができる。同様に、各増幅モジュールは、その出力において２つのインダクタンス成分に接続することができる。この場合も、一方のインダクタンス成分は、第１の増幅モジュールを第２の増幅モジュールに接続する第３のインダクタンス成分からなることができ、他方のインダクタは、第２の増幅モジュールを第３の増幅モジュールに接続する第１のインダクタからなることができる。各増幅モジュールは、１つまたはそれ以上のキャパシタンスを提供し得る。各増幅モジュールは、好ましくは、その入力に１つのキャパシタンスと、その出力に１つのキャパシタンスとを提供する。各増幅モジュールの入力キャパシタンスは、好ましくは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの入力に接続されている２つのインダクタンス成分に接続される。これらのインダクタンス成分は、好ましくは互いに直列である。直列インダクタンス成分及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールへの信号入力の伝送ラインとなるように動作させることができる。同様に、各増幅モジュールの出力キャパシタンスは、好ましくは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの出力に接続されている２つのインダクタンス成分に接続される。これらのインダクタンス成分は、好ましくは互いに直列である。直列インダクタンス成分及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールからの信号出力の伝送ラインとなるように動作させることができる。   At least some inductance components connected between each amplification module and its inputs and / or outputs preferably constitute a transmission line for signal input to and from the TWA. Specifically, each amplification module can be connected to two inductance components at its input. One inductance component may comprise a third inductance component that connects the first amplification module to the second amplification module, and the other inductance component connects the second amplification module to the third amplification module. The first inductance component. Similarly, each amplification module can be connected to two inductance components at its output. Again, one inductance component can comprise a third inductance component that connects the first amplification module to the second amplification module, and the other inductor provides the second amplification module to the third amplification. It may consist of a first inductor connected to the module. Each amplification module may provide one or more capacitances. Each amplification module preferably provides one capacitance at its input and one capacitance at its output. The input capacitance of each amplification module is preferably a parallel capacitance and is connected to two inductance components that are connected to the input of the amplification module. These inductance components are preferably in series with each other. The series inductance component and the parallel capacitance can be operated to be a transmission line for signal input to the amplification module. Similarly, the output capacitance of each amplification module is preferably a parallel capacitance and is connected to two inductance components that are connected to the output of the amplification module. These inductance components are preferably in series with each other. The series inductance component and the parallel capacitance can be operated to be a transmission line for signal output from the amplification module.

各増幅モジュールは、１つまたはそれ以上のトランジスタからなることができる。これらは、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、またはバイポーラトランジスタ、またはそれらの組合わせであることができる。増幅モジュールが１つまたはそれ以上のＦＥＴからなる場合には、ＦＥＴを接地に接続するために、これらの各々に１つまたはそれ以上のバイア（via）を設けることができる。ＦＥＴ間の接続は、バイアの周りに届くことができる長さを有していなければならないであろう。第２の、より低い特性インピーダンスのインダクタンス成分を入力及び出力ライン内に付加することによって、このような接続が可能になる。   Each amplification module can consist of one or more transistors. These can be, for example, field effect transistors (FETs), or bipolar transistors, or combinations thereof. If the amplification module consists of one or more FETs, each of these can be provided with one or more vias to connect the FETs to ground. The connection between the FETs would have to be long enough to reach around the via. Such a connection is possible by adding a second, lower characteristic impedance inductance component in the input and output lines.

増幅モジュールが１つのＦＥＴからなる場合には、モジュールの入力キャパシタンスはＦＥＴのゲートとソースとの間の寄生キャパシタンスを利用することができ、モジュールの出力キャパシタンスはＦＥＴのドレインとソースとの間の寄生キャパシタンスを利用することができる。   If the amplification module consists of one FET, the input capacitance of the module can utilize the parasitic capacitance between the gate and source of the FET, and the output capacitance of the module can be the parasitic capacitance between the drain and source of the FET. Capacitance can be used.

ＴＷＡは、マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）ＴＷＡであることができる。ＴＷＡは、好ましくは、ミリメートル範囲内の波長を有する信号を増幅することができる。ＴＷＡは、好ましくは、少なくとも実質的に100ｋＨｚ乃至実質的に50ＧＨｚまでの、またはそれより高い、またはそれより低い範囲内の波長を有する信号を増幅することができる。従って、本発明のＴＷＡは、一般的なＴＷＡの上限動作周波数を拡張する。ＴＷＡの利得は、好ましくはＴＷＡが動作する周波数範囲にわたって、好ましくはほぼ10ｄＢ、またはそれ以上、またはそれ以下である。   The TWA can be a microwave monolithic integrated circuit (MMIC) TWA. The TWA is preferably capable of amplifying signals having wavelengths in the millimeter range. The TWA is preferably capable of amplifying signals having a wavelength in a range of at least substantially 100 kHz to substantially 50 GHz, or higher or lower. Therefore, the TWA of the present invention extends the upper limit operating frequency of a general TWA. The gain of the TWA is preferably approximately 10 dB or more or less over the frequency range over which the TWA operates.

以下に、本発明によるＴＷＡの回路図を示している添付図面を参照して、本発明の特定の実施例を詳細に説明する。   Reference will now be made in detail to a particular embodiment of the invention, an example of which is illustrated in the accompanying drawings showing a circuit diagram of a TWA according to the invention.

進行波増幅器１は、ＭＭＩＣ ＴＷＡであり、４つの増幅モジュール２、３、４、及び５からなる。明瞭化のために、バイアス回路は省略してある。モジュール２と３、モジュール３と４、及びモジュール４と５の入力は、第１のインダクタンス成分６、第２のインダクタンス成分７、及び第３のインダクタンス成分８によって互いに接続されている。増幅モジュール２と３、モジュール３と４、及びモジュール４と５の出力は、第１のインダクタンス成分９、第２のインダクタンス成分１０、及び第３のインダクタンス成分１１によって互いに接続されている。各モジュールの出力には、それらをインダクタンス成分９、１０、及び１１に接続するインダクタンス成分１２が設けられている。   The traveling wave amplifier 1 is an MMIC TWA and includes four amplification modules 2, 3, 4, and 5. For the sake of clarity, the bias circuit is omitted. The inputs of modules 2 and 3, modules 3 and 4, and modules 4 and 5 are connected to each other by a first inductance component 6, a second inductance component 7, and a third inductance component 8. Outputs of the amplification modules 2 and 3, modules 3 and 4, and modules 4 and 5 are connected to each other by a first inductance component 9, a second inductance component 10, and a third inductance component 11. The output of each module is provided with an inductance component 12 that connects them to inductance components 9, 10, and 11.

インダクタンス成分６乃至１２は、各々、マイクロストリップ伝送ラインからなる。これらは、金合金トラックで形成されている。伝送ライン７及び１０の特性インピーダンスは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しい。この場合、この特性インピーダンスは実質的に50Ωであり、これはＴＷＡ及びそれらに接続されている回路のための工業標準である。伝送ライン６、８、９、１１、及び１２の特性インピーダンスは、実質的に100Ωである。   Inductance components 6 to 12 each comprise a microstrip transmission line. These are formed of gold alloy tracks. The characteristic impedance of the transmission lines 7 and 10 is substantially equal to the characteristic impedance of the input and output circuits to which the TWA is connected for use. In this case, this characteristic impedance is substantially 50Ω, which is an industry standard for TWA and the circuits connected to them. The characteristic impedance of the transmission lines 6, 8, 9, 11, and 12 is substantially 100Ω.

増幅モジュールの入力を接続している各伝送ライン６、７、及び８は、共通入力ライン１３の一部を構成している。これは、50Ωの伝送ライン１５及び100Ωの伝送ライン１６を介してＴＷＡの単一の入力ポート１４に接続されている。従って、ＴＷＡへの信号入力の一部が各増幅モジュールへ印加され、そこで増幅される。   Each transmission line 6, 7, 8 connecting the input of the amplification module constitutes part of the common input line 13. This is connected via a 50Ω transmission line 15 and a 100Ω transmission line 16 to a single input port 14 of the TWA. Therefore, part of the signal input to the TWA is applied to each amplification module and amplified there.

増幅モジュールの出力を接続している各伝送ライン９、１０、１１、及び１２は、共通出力ライン１７の一部を構成している。これは、50Ωの伝送ライン１９及び100Ωの伝送ライン２０を介してＴＷＡの単一の出力ポート１８に接続されている。従って、ＴＷＡからの出力信号は混合され、共通出力ポート１８を介して出力される。   Each transmission line 9, 10, 11, and 12 connecting the output of the amplification module constitutes a part of the common output line 17. This is connected via a 50Ω transmission line 19 and a 100Ω transmission line 20 to a single output port 18 of the TWA. Therefore, the output signals from the TWA are mixed and output via the common output port 18.

インダクタンス成分１５、１６、１９、及び２０は、マイクロストリップ伝送ラインからなる。これらも、金合金トラックで形成されている。   Inductance components 15, 16, 19, and 20 comprise microstrip transmission lines. These are also formed of gold alloy tracks.

各増幅モジュールは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンス（この場合、実質的に50Ω）と実質的に等しい特性インピーダンスを有している。以上から、各増幅モジュールはその入力を２つの伝送ラインに接続されており、それらと共に50Ωの伝送ラインを形成していることが理解されよう。同様に、各増幅モジュールはその出力を２つの伝送ラインに接続されており、それらと共に50Ωの伝送ラインを形成している。   Each amplification module has a characteristic impedance that is substantially equal to the characteristic impedance of the input and output circuits to which the TWA is connected for use (in this case, substantially 50Ω). From the above, it will be understood that each amplification module has its input connected to two transmission lines and together they form a 50Ω transmission line. Similarly, each amplification module has its output connected to two transmission lines, which together form a 50Ω transmission line.

各増幅モジュールはＦＥＴ ２１からなり、ＦＥＴを接地に接続するための２つのバイア２２が設けられている。ＦＥＴのゲートとソースとの間の寄生キャパシタンスが、各モジュールの入力におけるキャパシタンスになっている。同様に、ＦＥＴのドレインとソースとの間の寄生キャパシタンスが、各モジュールの出力におけるキャパシタンスになっている。各モジュールの入力キャパシタンスは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの入力に接続されている２つの伝送ラインに接続されている。これらの伝送ラインは、互いに直列である。直列伝送ライン及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールへの信号入力のための50Ω伝送ラインが得られるように動作する。同様に、各モジュールの出力キャパシタンスは並列キャパシタンスであり、増幅モジュールの出力に接続されている２つの伝送ラインに伝送ライン１２を介して接続されている。これら２つの伝送ラインは、互いに直列である。直列伝送ライン及び並列キャパシタンスは、増幅モジュールからの信号出力のための50Ω伝送ラインが得られるように動作する。   Each amplification module consists of FET 21 and is provided with two vias 22 for connecting the FET to ground. The parasitic capacitance between the FET gate and source is the capacitance at the input of each module. Similarly, the parasitic capacitance between the drain and source of the FET is the capacitance at the output of each module. The input capacitance of each module is a parallel capacitance and is connected to two transmission lines connected to the input of the amplification module. These transmission lines are in series with each other. The series transmission line and parallel capacitance operate to provide a 50Ω transmission line for signal input to the amplification module. Similarly, the output capacitance of each module is a parallel capacitance and is connected via a transmission line 12 to two transmission lines connected to the output of the amplification module. These two transmission lines are in series with each other. The series transmission line and the parallel capacitance operate to obtain a 50Ω transmission line for signal output from the amplification module.

ＴＷＡ１は、ミリメートル範囲の波長を有する信号を増幅することができる。このＴＷＡは、実質的に100ｋＨｚ乃至実質的に50ＧＨｚまでの範囲内の波長を有する信号を増幅することができる。ＴＷＡの利得は、ＴＷＡが動作する全周波数範囲にわたってほぼ10ｄＢである。   TWA1 can amplify signals having wavelengths in the millimeter range. The TWA can amplify signals having wavelengths in the range of substantially 100 kHz to substantially 50 GHz. The TWA gain is approximately 10 dB over the entire frequency range in which the TWA operates.

より低い特性インピーダンスの伝送ライン７及び１０を付加することによって、隣接する増幅モジュールの入力と出力との間の接続を、モジュール間に届かせる、特にバイア２２の周りに届かせるのに十分な長さにすることができる。隣接する増幅モジュールの入力間の、または出力間の接続内に伝送ライン７、１０を使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。   By adding lower characteristic impedance transmission lines 7 and 10, the connection between the inputs and outputs of adjacent amplification modules is long enough to reach between the modules, especially around the vias 22. Can be It has been found that the use of transmission lines 7, 10 in the connection between adjacent amplifier module inputs or between outputs does not have a significant adverse effect on the performance of the TWA.

各増幅モジュールからの出力信号を混合してＴＷＡ出力信号を得る場合、モジュールからの信号は実質的に同一の位相を有していることが望ましいのは明白である。そうでなければ、信号を混合した時にあるキャンセルを生じ、従ってＴＷＡ信号の損失が発生するようになる。１対の隣接する増幅モジュールの出力を接続している伝送ライン１０の長さは、１対の隣接する増幅モジュールの入力を接続している伝送ライン７の長さよりも大きくされる。これにより、各モジュールのＦＥＴのゲートとソースとの間の寄生キャパシタンスが、ドレインとソースとの間の寄生キャパシタンスよりも大きいために生ずる入力ラインと出力ラインとの間の相速度の差を解消することができる。隣接する増幅モジュールの出力間の接続内にこのような長い伝送ラインを使用しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。   Obviously, when mixing the output signals from each amplification module to obtain a TWA output signal, it is desirable that the signals from the modules have substantially the same phase. Otherwise, some cancellation occurs when the signals are mixed, thus causing loss of the TWA signal. The length of the transmission line 10 that connects the outputs of a pair of adjacent amplification modules is made longer than the length of the transmission line 7 that connects the inputs of a pair of adjacent amplification modules. This eliminates the phase speed difference between the input and output lines, which occurs because the parasitic capacitance between the gate and source of each module FET is greater than the parasitic capacitance between the drain and source. be able to. It has been found that using such a long transmission line in the connection between the outputs of adjacent amplification modules does not have a significant adverse effect on the performance of the TWA.

ＴＷＡの共通入力ライン１３には、ライン内の最後の増幅モジュール５に接して配置され且つ50Ω伝送ライン２４及び100Ω伝送ライン２５によってそれに接続されている抵抗２３が設けられている。同様に、ＴＷＡの共通出力ライン１７には、ライン内の最初の増幅モジュール２に接して配置され且つ50Ω伝送ライン２７及び100Ω伝送ライン２８（それぞれ、金合金で作られている）によってそれに接続されている抵抗２６が設けられている。抵抗２３、２６は、これらのラインを終端するように機能する。伝送ライン２４及び２７は、抵抗２３、２６を増幅モジュールから遠去けるために、従って増幅モジュールと抵抗との間の結合の可能性を低下させるために使用される。これらの伝送ラインを付加しても、ＴＷＡの性能に重大な悪影響を与えないことが分かった。   The common input line 13 of the TWA is provided with a resistor 23 arranged in contact with the last amplification module 5 in the line and connected thereto by a 50Ω transmission line 24 and a 100Ω transmission line 25. Similarly, the common output line 17 of the TWA is placed in contact with the first amplification module 2 in the line and connected to it by a 50Ω transmission line 27 and a 100Ω transmission line 28 (each made of a gold alloy). A resistor 26 is provided. Resistors 23 and 26 function to terminate these lines. Transmission lines 24 and 27 are used to move resistors 23, 26 away from the amplification module and thus reduce the possibility of coupling between the amplification module and the resistor. It has been found that the addition of these transmission lines does not have a significant adverse effect on the performance of the TWA.

本発明によるＴＷＡの回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a TWA according to the present invention.

Claims (17)

２つまたはそれ以上の増幅モジュール（２、３、４、５）を含む進行波増幅器（ＴＷＡ）であって、隣接する前記増幅モジュール（２と３、３と４、４と５）の入力は、第１（６）、第２（７）、第３（８）の伝送ラインによって互いに接続され、前記第１、第３の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスを有し、前記第２の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスと異なる単位長さ当たり第２のインダクタンスを有し、前記伝送ラインは、前記第２の伝送ラインが前記第１と第３の伝送ラインの間に配列されて直列に配置され、ＴＷＡの共通入力ライン（１３）の一部を構成し、
隣接する前記増幅モジュール（２と３、３と４、４と５）の出力は、第１（９）、第２（１０）、第３（１１）の伝送ラインによって互いに接続され、前記第１、第３の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスを有し、前記第２の伝送ラインは、単位長さ当たり第１のインダクタンスと異なる単位長さ当たり第２のインダクタンスを有し、前記伝送ラインは、前記第２の伝送ラインが前記第１と第３の伝送ラインの間に配列されて直列に配置され、ＴＷＡの共通出力ライン（１７）の一部を構成し、
１対の前記増幅モジュールの出力を接続している第２の伝送ライン（１０）の長さは、１対の前記増幅モジュールの入力を接続している第２の伝送ライン（７）の長さより大きいことを特徴とするＴＷＡ。A traveling wave amplifier (TWA) comprising two or more amplification modules (2, 3, 4, 5), the input of adjacent amplification modules (2 and 3, 3 and 4, 4 and 5) being , First (6), second (7), third (8) transmission lines connected to each other, the first and third transmission lines having a first inductance per unit length, The second transmission line has a second inductance per unit length that is different from the first inductance per unit length, and the transmission line includes the first and third transmission lines. Are arranged in series and constitute part of the common input line (13) of the TWA ,
The outputs of the adjacent amplification modules (2 and 3, 3 and 4, 4 and 5) are connected to each other by first (9), second (10), and third (11) transmission lines, and the first The third transmission line has a first inductance per unit length and the second transmission line has a second inductance per unit length different from the first inductance per unit length; The transmission line is arranged in series with the second transmission line arranged between the first and third transmission lines, and constitutes a part of a common output line (17) of the TWA,
The length of the second transmission line (10) connecting the output of the pair of amplification modules is longer than the length of the second transmission line (7) connecting the input of the pair of amplification modules. TWA characterized by being large . 前記各増幅モジュールの出力には、出力インダクタンス成分（１２）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。The TWA according to claim 1 , wherein an output inductance component (12) is provided at the output of each amplification module. 前記出力インダクタンス成分（１２）は、前記増幅モジュールを前記第１、及び第３の伝送ラインに接続していることを特徴とする請求項２に記載のＴＷＡ。The TWA according to claim 2 , wherein the output inductance component (12) connects the amplification module to the first and third transmission lines. 前記各出力インダクタンス成分（１２）の特性インピーダンスは、前記第１及び第３の伝送ライン（９、１１）の特性インピーダンスと実質的に等しいことを特徴とする請求項２に記載のＴＷＡ。The TWA according to claim 2 , characterized in that the characteristic impedance of each output inductance component (12) is substantially equal to the characteristic impedance of the first and third transmission lines (9, 11). 隣接する前記増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続している前記第２の伝送ライン（７、１０）の特性インピーダンスは、使用のためにＴＷＡが接続される入力及び出力回路の特性インピーダンスと実質的に等しいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＷＡ。The characteristic impedance of the second transmission line (7, 10) connecting either the input or the output of the adjacent amplification module is the characteristic impedance of the input and output circuits to which the TWA is connected for use. TWA according to any one of claims 1 to 4, characterized in that substantially equal. 前記第２の伝送ライン（７、１０）の特性インピーダンスは、実質的に50Ωであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＷＡ。The characteristic impedance of the second transmission line (7, 10) is, TWA substantially according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is 50 [Omega. 前記第１（６、９）及び第３の伝送ライン（８、１１）は、実質的に100Ωの特性インピーダンスを有していることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のＴＷＡ。It said first (6, 9) and the third transmission line (8, 11) is substantially as described in any one of claims 1 to 4, characterized in that it has a characteristic impedance of 100Ω TWA. 隣接する前記増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続している前記第２の伝送ライン（７、１０）は、マイクロストリップ伝送ラインからなることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のＴＷＡ。It said connecting either the input or output of the amplifier module adjacent a second transmission line (7, 10) is one of the claims 1 to 7, characterized in that it consists of microstrip transmission line 1 TWA according to item. 隣接する前記増幅モジュールの入力または出力の何れかを接続している前記第１及び第３の伝送ライン（６、８、９、１１）は各々、マイクロストリップ伝送ラインからなることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載のＴＷＡ。The said 1st and 3rd transmission line (6, 8, 9, 11) which connects either the input or output of the said adjacent amplification module consists of a microstrip transmission line, respectively. Item 9. The TWA according to any one of Items 1 to 8 . 前記共通入力ラインは、前記ＴＷＡの単一の入力ポート（１４）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。  The TWA according to claim 1, wherein the common input line is connected to a single input port (14) of the TWA. 前記共通出力ラインは、前記ＴＷＡの単一の出力ポート（１８）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。It said common output line, TWA according to claim 1, characterized in that it is connected to a single output port (18) of the TWA. 前記ＴＷＡの共通入力ライン（１３）には、１つまたはそれ以上の抵抗（２３）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。  TWA according to claim 1, characterized in that one or more resistors (23) are provided on the common input line (13) of the TWA. 前記ＴＷＡの共通入力ラインは、前記抵抗（２３）を、前記ラインに接続されている増幅モジュールから離間させるために配置されている１つまたはそれ以上のインダクタンス成分（２４、２５）を含むことを特徴とする請求項１２に記載のＴＷＡ。The common input line of the TWA includes one or more inductance components (24, 25) arranged to separate the resistor (23) from an amplification module connected to the line. 13. The TWA according to claim 12 , characterized in that 前記入力ラインに接続されている最後の増幅モジュールと抵抗との間に、インダクタンス成分が配置されていることを特徴とする請求項１３に記載のＴＷＡ。14. The TWA according to claim 13 , wherein an inductance component is arranged between the last amplification module connected to the input line and the resistor. 前記ＴＷＡの共通出力ライン（１７）には、１つまたはそれ以上の抵抗（２６）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＴＷＡ。Wherein the common output line (17) of the TWA, TWA according to claim 1, characterized in that one or more resistors (26) are provided. 前記ＴＷＡの共通出力ラインは、前記抵抗（２６）を、前記ラインに接続されている増幅モジュールから離間させるために配置されている１つまたはそれ以上のインダクタンス成分（２７、２８）を含むことを特徴とする請求項１５に記載のＴＷＡ。The common output line of the TWA includes one or more inductance components (27, 28) arranged to separate the resistor (26) from an amplification module connected to the line. 16. A TWA according to claim 15 , characterized in that 前記出力ラインに接続されている最初の増幅モジュールと抵抗との間に、インダクタンス成分が配置されていることを特徴とする請求項１６に記載のＴＷＡ。The TWA according to claim 16 , wherein an inductance component is disposed between the first amplification module connected to the output line and the resistor.
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